不同條件下土石方填筑體現(xiàn)場(chǎng)剪切試驗(yàn)成果分析

田 文，李向東，熊復(fù)慧，閆廣雙

(1. 黑龍江省引嫩工程管理處，黑龍江 大慶 163316；2. 黑龍江省水利科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

1 工程基本情況

新建黑龍江省綏芬河民用機(jī)場(chǎng)，飛行區(qū)等級(jí)指標(biāo)為4C，主要建設(shè)內(nèi)容包括：建設(shè)1條長(zhǎng)2500 m、寬45 m跑道和1條垂直聯(lián)絡(luò)道；4500 m2的航站樓、6個(gè)機(jī)位的站坪；1座塔臺(tái)和800 m2的航站樓；配套通信、氣象、消防救援、供電、給排水、供熱、供冷、供氣、供油等設(shè)施[1-2]。

綏芬河機(jī)場(chǎng)位于丘陵地貌區(qū)，擬建場(chǎng)地地形總體上呈東高西低的態(tài)勢(shì)，工程地質(zhì)條件比較復(fù)雜，場(chǎng)地挖方形成的填料主要有黏土、碎石、中-全風(fēng)化花崗巖、中-全風(fēng)化玄武巖，屬于不均勻的土巖組合。整個(gè)場(chǎng)區(qū)填、挖方總量約為920萬(wàn)m3，最大填方深度43.4 m，最大挖方深度31.0 m。填方邊坡坡頂線(平整范圍線)處最大填方高度28.2 m，坡頂與坡腳最大高差43.4 m[3-8]。

工程擬在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行土石方填筑試驗(yàn)，為全場(chǎng)大面積土石方填筑工程施工提供優(yōu)化的工藝方法、施工參數(shù)及檢測(cè)指標(biāo)?，F(xiàn)場(chǎng)對(duì)強(qiáng)夯、沖擊碾壓土石方填筑體進(jìn)行大型剪切試驗(yàn)研究，為全場(chǎng)大面積土石方填筑工程施工及邊坡穩(wěn)定設(shè)計(jì)提供參考數(shù)據(jù)[9]。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

本實(shí)驗(yàn)采用應(yīng)力控制的平推法，適用于粗粒類土本身、粗粒類土中的軟弱接觸面快剪試驗(yàn)。根據(jù)庫(kù)倫定律得到土體在特定破壞界面上的抗剪強(qiáng)度參數(shù)即為內(nèi)摩擦角和黏聚力。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

本次試驗(yàn)所使用的設(shè)備為WBJL現(xiàn)場(chǎng)直剪儀，主要包括以下幾方面。

(1)試件制備系統(tǒng)。主要為與現(xiàn)場(chǎng)被檢填料粒徑匹配的剪切盒1套。

(2)加荷系統(tǒng)。行程大于70 mm，適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)填料碾壓體強(qiáng)度，滿足最大荷載及剪切面積要求的液壓千斤頂2臺(tái)；油壓泵系統(tǒng)。

(3)傳力系統(tǒng)。主要由高壓膠管、傳力柱、鋼墊板、滾軸排等組成。

(4)測(cè)量系統(tǒng)。壓力表：精度為一級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)壓力表一套，測(cè)油壓用；百分表(量程大于50 mm)、千分表(量程大于2～50 mm)，8～12只；磁性表架：8～12只；測(cè)量表架：工字鋼2根；測(cè)量標(biāo)點(diǎn)：有機(jī)玻璃或不銹鋼。

(5)反力系統(tǒng)：試驗(yàn)在露天填筑碾壓體表面進(jìn)行，因現(xiàn)場(chǎng)工況特殊性，本試驗(yàn)采用的是重型機(jī)械加載的方式取得反作用力。

2.3 試驗(yàn)方法

(1)試坑的開挖和試件的制備。一般情況下，本試驗(yàn)工作面的尺寸為2.5 m×1.6 m。試樣的制備在試坑中進(jìn)行，用下端帶有刃口的剪切盒切入到預(yù)定的試驗(yàn)深度，同時(shí)削去剪切盒外側(cè)土體，形成與剪切面一致的試坑基底平面，同時(shí)平整試樣的頂面，超出剪切盒頂面1 cm左右。試樣制備完成后，安裝應(yīng)力、水平推力施加裝置及相應(yīng)測(cè)量?jī)x表后，即可開始試驗(yàn)[9]?，F(xiàn)場(chǎng)剪切試驗(yàn)布置圖見圖1。

1—剪切縫 2—試件 3—承壓板 4—液壓千斤頂5—傳力柱 6—鋼墊板 7—滾軸排圖1 現(xiàn)場(chǎng)剪切試驗(yàn)布置圖

(2)對(duì)試樣分級(jí)施加法向荷載，最大法向荷載應(yīng)大于設(shè)計(jì)荷載，可分4～5級(jí)逐漸達(dá)到試驗(yàn)所需的最終法向荷載。每級(jí)法向荷載施加后每5 min測(cè)量一次試驗(yàn)變形，當(dāng)每1 min變形不超過0.05 mm時(shí)可施加下一級(jí)荷載。施加最后一級(jí)荷載后，按5 min、10 min、15 min的時(shí)間間隔測(cè)記垂直變形值，當(dāng)1 h內(nèi)豎直變形值兩次讀數(shù)的差值不超過0.05 mm時(shí)，即達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，可施加剪切荷載[9]。

(3)施加水平剪切力，按照法向荷載的5%～10%分級(jí)等量施加。當(dāng)施加剪切荷載所引起的剪切變形為前一級(jí)的1.5倍以上時(shí)，下一級(jí)剪切荷載則減半施加。每級(jí)剪切荷載施加完成后，應(yīng)立即測(cè)記垂直變形量、剪切荷載和剪切變形量。當(dāng)剪切變形急劇增長(zhǎng)或變形繼續(xù)增長(zhǎng)而剪應(yīng)力無(wú)法增加或剪切變形達(dá)到試樣邊長(zhǎng)(直徑)的1/10時(shí)可終止試驗(yàn)，當(dāng)剪切荷載無(wú)峰值，可將剪切位移達(dá)到試樣邊長(zhǎng)或直徑的10%時(shí)的剪切荷載作為破壞值[9]。

(4)當(dāng)需要根據(jù)剪切位移大于10 mm時(shí)的試驗(yàn)成果確定土的殘余抗剪強(qiáng)度時(shí)，可能需要沿剪切面繼續(xù)進(jìn)行摩擦試驗(yàn)。

(5)試驗(yàn)結(jié)束后，拆除位移測(cè)表，卸去剪切荷載、垂直荷載及加荷設(shè)備，描述剪切面形狀，量測(cè)剪切面的實(shí)際面積，根據(jù)需要測(cè)定試樣試驗(yàn)前后的密度、含水率和顆粒級(jí)配。

項(xiàng)目組分別在強(qiáng)夯填筑區(qū)(D1、D2)，沖擊碾壓區(qū)(CH、CX1、CX2)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)剪切試驗(yàn)，確定內(nèi)摩擦角、黏聚力等參數(shù)，為土石方填筑工程施工提供依據(jù)。試驗(yàn)過程如圖2、圖3所示。

圖2 加載試驗(yàn)過程

圖3 切向變形試驗(yàn)過程

3 結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)資料整理

3.1.1試驗(yàn)記錄

(1)試驗(yàn)前記錄內(nèi)容：工程名稱、試體編號(hào)及位置、試驗(yàn)方法、剪切面面積、測(cè)表位置、法向及剪切荷載、法向位移、試驗(yàn)日期等。

(2)詳細(xì)記錄碰表、調(diào)表、換表、千斤頂、漏油補(bǔ)壓等異常情況。

(3)試驗(yàn)結(jié)束后，測(cè)量實(shí)際剪切面面積，詳細(xì)記錄現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況，并做具體描述，初步繪制試驗(yàn)結(jié)果σ—τ曲線，如部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)偏離較大時(shí)，需補(bǔ)做試驗(yàn)。

3.1.2 成果整理

按照式(1)、式(2)計(jì)算垂直壓力和剪應(yīng)力：

σ=P/A

(1)

τ=Q/A

(2)

式中：σ為垂直壓力，kPa；τ為剪應(yīng)力，kPa；P為垂直總荷載，kN；Q為剪切總荷載，kN；A為試樣剪切面面積，m2。

3.1.3 試驗(yàn)成果報(bào)告

(1)文字部分：相關(guān)說明，試驗(yàn)方法、C、φ值及確定標(biāo)準(zhǔn)等。

(2)圖表部分：繪制剪應(yīng)力與水平位移關(guān)系曲線和抗剪強(qiáng)度與垂直壓力的關(guān)系曲線，求得內(nèi)摩擦角和黏聚力。

3.2 試驗(yàn)成果分析

本試驗(yàn)測(cè)得的剪切試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

試驗(yàn)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)剪切試驗(yàn)的剪應(yīng)力與法向應(yīng)力的關(guān)系曲線如圖4～圖8所示。

表1 剪切試驗(yàn)結(jié)果

圖4 D1剪應(yīng)力與法向應(yīng)力的關(guān)系曲線

圖5 D2剪應(yīng)力與法向應(yīng)力的關(guān)系曲線

圖6 CH剪應(yīng)力與法向應(yīng)力的關(guān)系曲線

圖7 CX1剪應(yīng)力與法向應(yīng)力的關(guān)系曲線

圖8 CX2剪應(yīng)力與法向應(yīng)力的關(guān)系曲線

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)大尺寸顆粒含量較高的強(qiáng)風(fēng)化料鋪土厚度影響強(qiáng)夯填筑的效果。

(2)相同沖擊碾壓情況下，全風(fēng)化玄武巖料填筑效果較好。

(3)填料中大尺寸顆粒及細(xì)顆粒比例對(duì)黏聚力和內(nèi)摩擦角有較大影響。